Efecto-de-sustratos-energeticos-sobre-la-degeneracion-de-motoneuronas-espinales-in-vivo

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UNIVERSIDAD NACIONAL 
AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
 
 FACULTAD DE QUÍMICA 
 INSTITUTO DE FISIOLOGÍA CELULAR 
 
PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN 
CIENCIAS BIOQUÍMICAS 
 
 
 
 
EFECTO DE SUSTRATOS ENERGÉTICOS 
SOBRE LA DEGENERACIÓN DE 
MOTONEURONAS ESPINALES IN VIVO 
 
 
 
T E S I S 
 
QUE PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE 
 
MAESTRA EN CIENCIAS (BIOQUÍMICAS) 
 
P R E S E N T A : 
 
Q.A. LUZ DIANA SANTA CRUZ DE ALBA 
 
 
 
 
DIRECTOR DE TESIS: DR. RICARDO TAPIA IBARGÜENGOYTIA 
 
 
 
 
MÉXICO, D. F. 2009 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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EFECTO DE SUSTRATOS ENERGÉTICOS SOBRE LA 
DEGENERACIÓN DE MOTONEURONAS ESPINALES IN VIVO 
 
 
 
 
RECONOCIMIENTOS 
 
 
Esta tesis de maestría se realizó bajo la dirección del Dr. Ricardo Tapia Ibargüengoytia en el 
Departamento de Neurociencias del Instituto de Fisiología Celular de la Universidad Nacional 
Autónoma de México. 
 
 
El Comité Tutoral que asesoró el desarrollo de esta tesis estuvo formado por: 
 
Dr. Ricardo Tapia Ibargüengoytia Instituto de Fisiología Celular, UNAM 
Dr. Julio Eduardo Roque Morán Andrade Instituto de Fisiología Celular, UNAM 
Dr. Jorge Manuel Vázquez Ramos Facultad de Química, UNAM 
 
 
 
Durante los estudios de maestría gocé de una beca otorgada por CONACYT (7306). 
 
 
 
El Jurado de Examen de Maestría estuvo constituido por: 
 
PRESIDENTE Dr. Jorge Manuel Vázquez Ramos Facultad de Química, UNAM 
VOCAL Dra. Ma. de Lourdes Massieu Trigo Instituto de Fisiología Celular, UNAM 
SECRETARIA Dra. Rocío Salceda Sacanelles Instituto de Fisiología Celular, UNAM 
SUPLENTE Dr. Jaime Iván Velasco Velázquez Instituto de Fisiología Celular, UNAM 
SUPLENTE Dr. José Bargas Díaz Instituto de Fisiología Celular, UNAM 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEDICATORIA 
 
 
 A mi padre Enrique Santa Cruz Castillo, 
in memoriam 
 
A mi madre Guadalupe de Alba y mis 
hermanos Enrique, Fabiola, Martha y 
Natalia 
 
A mis abuelos Jesús de Alba, María de la 
Luz Amador, Guadalupe Castillo y 
Enrique Santa Cruz, in memoriam 
 
A toda mi familia 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
 
A Dios por el gran regalo de la vida y los dones recibidos, por el amor, la fortaleza y la paz que he recibido de 
Él. 
 
Al Dr. Ricardo Tapia por darme la oportunidad de hacer investigación en su laboratorio, por todas sus 
enseñanzas y experiencia compartida, sus comentarios y por el apoyo que siempre me ha brindado. 
 
A los doctores Julio Morán y Jorge Vázquez, miembros de mi comité tutoral de maestría, por todos sus 
comentarios, enseñanzas, apoyo y aportaciones hechas al presente trabajo. 
 
A los miembros del jurado por la revisión, comentarios y aportaciones hechos a la presente tesis. 
 
A todos con los que he compartido el trabajo y muchos momentos agradables en el laboratorio a Tere, a Luis, a 
Uri, a Marina, a Paty, a Xóchitl, a Layla, y muy especialmente a Carlos quien fue mi maestro a mi llegada al 
laboratorio, y a Gaby Vera quien ha sido una gran amiga, gracias por el apoyo y tantas pláticas. Gracias a 
todos por todo lo que hemos compartido y porque de cada uno he aprendido cosas muy valiosas. 
 
A mi alumnito Rodrigo, gracias por la amistad, por todos los momentos compartidos y por hacer el trabajo del 
laboratorio mucho más agradable y divertido. 
 
A mi papito por ser el mejor padre del mundo, por tus enseñanzas, sabiduría, ejemplo de vida y sobre todo por tu 
gran amor, porque aunque ya no estás físicamente con nosotros sí estás presente espiritualmente. 
 
A mi mamá y mis hermanos Fabi, Martis, Naty y Quique, gracias por su gran amor, su apoyo incondicional, su 
amistad y enseñanzas. A mis sobrinitos Estebancito y Ana Regi por traer tanta alegría a nuestras vidas. 
También agradezco a mis cuñados Ceci y Witek por su apoyo y tantos momentos agradables. 
 
A mis 4 abuelos por su gran sabiduría, amor, apoyo, ejemplo y enseñanzas. 
 
A toda mi familia, primos, primas, tías y tíos por su amor y apoyo siempre, por tantos y tantos momentos tan 
agradables. 
 
A todos mis amigos (Paco, Bruno, Enrique Mar, Yola y Luis Curiel, Lidia, Zaira, Gisela Valencia, Gaby 
Apáez, mis amigos de las misiones y todos los que me falten) por su apoyo y por hacer el caminar en esta vida 
mucho más bello, por tantos momentos compartidos y por el gran cariño. 
 
A Lety García por su constante apoyo. 
 
ÍNDICE 
 
RESUMEN…………………………………………...………………...…………………………………..1 
ABSTRACT……………………………………………………………...…………………………………2 
LISTA DE ABREVIATURAS……………………………………………..……………………………...3 
 
I. INTRODUCCIÓN……………...…………………………………………..……………………..4 
Neurotransmisión glutamatérgica………….………………………………………..………...…………….4 
Neurodegeneración…………………………..…………………………………………...…...…………...12 
Excitotoxicidad y neurodegeneración………...…………………………………………….......………….13 
Calcio, mitocondria, estrés oxidativo y su relación con la muerte neuronal…………………...…..…...…17 
 
II. ANTECEDENTES……………………………………………..……………………………...…24 
Esclerosis Lateral Amiotrófica (ALS)…….……………………...…………………………...………...…24 
Las mutaciones en la SOD1 son la causa de un tipo de FALS……….………………………………........26 
Hipótesis de la excitotoxicidad mediada por glutamato como causa de la ALS……………......……...….28 
Mitocondria y ALS……………………………………………………………..……………...……..........31 
Estrés oxidativo en la ALS…………………………………………………………..………..……...……32 
Modelo in vivo de degeneración aguda de motoneuronas espinales por excitotoxicidad………….............34 
Sustratos energéticos y antioxidantes como neuroprotectores…………………………………..…………36 
 
 
 
 
III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………………..…………..39 
 
IV. HIPÓTESIS………………………………………………………...………………………...…..39 
 
V. OBJETIVOS………………………………………………………………………...……………40 
 
VI. METODOLOGÍA………………………………………...…………………………...………....40 
Cirugía y microdiálisis en la médula espinal………………………….………………………...………....40 
Evaluación de la función motora……………………………………………………………...…………...42 
Evaluación histológica……………………………………………….…………………………………….42 
Inmunohistoquímica…………………………………………………...………………...………………...43 
Análisis de aminoácidos extracelulares…………………………………………………...……………….43 
Análisis estadístico…………………………………………………….………………...………...………44 
 
 
VII. RESULTADOS………………………………………………………………………………45 
Control………………………………………………………………….…………...…………………..…45 
Lactato……………………………………………………………….………………...…………………..46 
α-cetobutirato……………………………………………………….…………....………………………...51 
β-hidroxibutirato…………………………………………………...……………...……………………….54 
Ascorbato…………………………………………………………..……………...……………………….58 
 
 
 
 
VIII. DISCUSIÓN………………………………………………………………………………….64 
Participación de las deficiencias de la función mitocondrial y del metabolismo energético, y del estrés 
oxidativo en la muerte de motoneuronas espinales………………………………………………………...64 
- Mecanismos de neuroprotección del lactato, del piruvato y del α-
cetobutirato......................................................................................................................................64 
- Mecanismos de neuroprotección del β-hidroxibutirato…………………………………………...69 
- Mecanismos de neuroprotección del ascorbato…………………………………………………..71 
- Participación de las deficienciasenergética y de la función mitocondrial en la muerte excitotóxica 
de las motoneuronas espinales…………………………………………………………………....74 
- Participación del estrés oxidativo en la muerte excitotóxica de las motoneuronas espinales……78 
Existe un umbral en el número de motoneuronas necesario para prevenir las alteraciones motoras y la 
parálisis en las ratas…………………………………………………..………...………………………….80 
 
IX. CONCLUSIONES……………………………………...………………………………………...86 
 
REFERENCIAS…………………………………………………………………………………………..88 
 
RESUMEN 
 
La esclerosis lateral amiotrófica (ALS por sus iniciales en inglés) es una enfermedad 
neurodegenerativa caracterizada por la degeneración selectiva y progresiva de las motoneuronas, lo 
que causa una parálisis también progresiva que culmina con la muerte por paro respiratorio. Esta 
muerte de las motoneuronas ha sido asociada a la excitotoxicidad debida a una excesiva 
neurotransmisión glutamatérgica, particularmente por la sobreactivación de los receptores tipo AMPA 
(α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropionato). Previamente nuestro grupo desarrolló un modelo in 
vivo en rata de muerte excitotóxica de motoneuronas espinales en la región lumbar por medio de la 
perfusión de AMPA por microdiálisis. Este tratamiento produjo una parálisis ipsilateral permanente y 
la muerte de las motoneuronas por un mecanismo dependiente de la entrada de Ca2+. La concentración 
intracelular excesiva de Ca2+ daña a las neuronas a través de varios mecanismos, entre ellos la 
deficiencia de la función mitocondrial y trastornos del metabolismo energético, y el aumento de la 
producción de especies reactivas de oxígeno (ROS). Con objeto de estudiar la posible participación de 
la deficiencia mitocondrial y del estrés oxidativo en la degeneración de las motoneuronas, probamos 
los posibles efectos neuroprotectores de varios sustratos que pueden actuar por medio de dos 
mecanismos, ya sea estimulando el metabolismo energético o como antioxidantes. Estudiamos el 
lactato, el α-cetobutirato, el β-hidroxibutirato y el ascorbato a diferentes concentraciones, co-
perfundiéndolos con el AMPA por microdiálisis en la médula espinal lumbar de la rata. Se realizaron 
evaluaciones de la función motora con la prueba del rotarod y los análisis histológicos del segmento 
lumbar perfundido, y se correlacionó el número de motoneuronas con el desempeño motor. Se observó 
muy buena protección con la perfusión del α-cetobutirato a una concentración de 20 mM, tanto 
histológicamente como en la conducta motora. La perfusión de β-hidroxibutirato y lactato también 
protegió de manera significativa pero a concentraciones mayores (50 mM y 100 mM respectivamente). 
Por otro lado, la perfusión de ascorbato ejerció solamente una protección parcial aun a concentraciones 
de hasta 50 mM. Nuestros resultados indican que las deficiencias mitocondriales y en el metabolismo 
energético están involucradas de manera significativa en la muerte de las motoneuronas espinales 
inducida por la sobreactivación de los receptores al glutamato tipo AMPA in vivo, y que el estrés 
oxidativo parece estar participando en menor proporción dada la protección parcial ejercida por el 
ascorbato y por el hecho de que los otros sustratos también tienen propiedades antioxidantes. 
Concluimos asimismo que existe un umbral en el número de motoneuronas necesario para prevenir las 
alteraciones motoras y la parálisis, ya que el análisis de los resultados obtenidos con todas las 
condiciones probadas en este modelo en este y trabajos previos, muestran que existe una clara 
correlación entre la sobrevivencia de motoneuronas y la función motora. Así, mientras se preserve más 
del 50 % de las motoneuronas, se evitan tanto las alteraciones en el desempeño motor como la 
parálisis, mientras que cuando no se supera este umbral de protección ocurre un déficit parcial en el 
desempeño motor, y cuando hay una pérdida severa de motoneuronas se produce inevitablemente la 
parálisis. 
1 
 
 
ABSTRACT 
 
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease characterized by selective and 
progressive motoneuron degeneration leading to progressive paralysis and finally death due to 
respiratory failure. Motoneuron death has been associated to excitotoxicity caused by an excessive 
glutamatergic neurotransmission, particularly as a result of the AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-
4-isoxazole propionate) receptor overactivation. Previously, our group developed an in vivo model of 
spinal motoneuron excitotoxic death by means of microdialysis perfusion of AMPA in the lumbar 
region of the rat spinal cord. This treatment produced a permanent paralysis of the ipsilateral hindlimb 
and death of motoneurons by a Ca2+-entry dependent mechanism. Excessive intracellular calcium 
concentration causes neuronal injury through several mechanisms, including mitochondrial function 
deficiency and energy metabolism disorders, and increased reactive oxygen species (ROS) production. 
To study the possible participation of mitochondrial energetic deficiencies and of oxidative stress in 
motoneuron degeneration, we tested the neuroprotecive effects of different substrates that can function 
via two different mechanisms: by energy metabolism stimulation or as antioxidants. Co-perfusions of 
different concentrations of lactate, α-ketobutyrate, β-hydroxybutyrate, or ascorbate with AMPA by 
microdialysis in the rat lumbar spinal cord were performed. We assessed motor function with the 
rotarod test and carried out histological analysis of the lumbar segment of the spinal cord, and 
correlated the number of motoneurons with motor performance. Perfusion of 20 mM α-ketobutyrate 
protected notably against motoneuron loss and paralysis or motor alterations. Perfusion of β-
hydroxybutyrate and lactate protected significantly as well, but at higher concentrations (50 and 100 
mM respectively). On the other hand, ascorbate perfusion protected only partially even at 
concentrations up to 50 mM. Our results indicate that mitochondrial energy metabolism deficits are 
importantly involved in spinal motoneuron death induced by overactivation of AMPA receptors in 
vivo and that oxidative stress seems to be participating to a lesser extent. 
We also conclude that there is a threshold in the number of motoneurons necessary to prevent motor 
alterations and paralysis, since the analysis of the results obtained with all the conditions tested in this 
model, shows that there is a clear correlation between motoneuron survival and motor function. Thus, 
as long as more than 50 % of the motoneurons are preserved, motor function alterations and paralysis 
are avoided, whilst when this threshold is not attained, the protection is only partial and the rats 
present a partial deficit on motor performance. Finally, the severe loss of motoneurons induces 
paralysis inevitably. 
 
 
 
2 
 
LISTA DE ABREVIATURAS 
ALS Esclerosis Lateral Amiotrófica (por Amyotrophic Lateral Sclerosis) 
AMPA Ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol propiónico 
ATP Adenosín trifosfato 
BAPTA-AM Ácido 1,2-bis(2-aminofenoxi)etano-N,N,N´,N´-tetraacético tetrakis(acetoximetil ester) 
ChAT Colina acetiltransferasa 
Ciclo TCA Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs 
DCD Alteración de la regulación retardada de Ca2+ (por Delayed Calcium Deregulation) 
Δψm Potencial de membrana mitocondrial 
Δp Fuerza protón-motriz 
EAAT Transportador de aminoácidos excitadores (por Excitatory Amino Acid Transporter) 
FALS Esclerosis Lateral Amiotrófica Familiar (por Familial Amyotrophic Lateral Sclerosis) 
GABA Ácido γ-aminobutírico 
GLT1 Transportador de glutamato 1 (por Glutamate Transporter 1) 
HPLC Cromatografía líquida de alta resolución (por High Performance Liquid Chromatography)
KA Kainato 
MPT Transición de permeabilidad mitocondrial (por Mitochondrial Permeability Transition) 
NAS 1-Naftil acetil esperminaNBQX 2,3-dihidroxi-6-nitro-7-sulfamoil-benzo[f]quinoxalina 
NMDA N-metil-D-aspartato 
NO• Radical óxido nítrico 
NOS Óxido nítrico sintasa (por Nitric Oxide Synthase) 
O2•- Radical superóxido 
•OH Radical hidroxilo 
ONOO- Anión peroxinitrito 
PSD Densidad postsináptica (por Postsynaptic Density) 
ROS Especies reactivas de oxígeno (por Reactive Oxygen Species) 
SALS Esclerosis Lateral Amiotrófica Esporádica (por Sporadic Amyotrophic Lateral Sclerosis) 
SNC Sistema nervioso central 
SOD Superóxido dismutasa 
XDH Xantina deshidrogenasa 
XOD Xantina oxidasa 
 
 
3 
 
I. INTRODUCCIÓN 
Neurotransmisión glutamatérgica 
El glutamato es el principal neurotransmisor excitador en el Sistema Nervioso Central (SNC) de los 
mamíferos y está involucrado en muchos aspectos de la función cerebral normal. Fue descubierto en 
1908 por Kikunae Ikeda, pero el hallazgo de que esta sustancia puede excitar el tejido nervioso tomó 
aproximadamente 5 décadas (Chiosa y Gane, 1956; Curtis et al., 1960). 
El glutamato es el principal mediador de la información sensorial, de la coordinación motora, de las 
emociones y de la cognición, incluyendo el aprendizaje, la formación y recuperación de la memoria 
(Hassel y Dingledine, 2006). Además, tiene un papel importante en la formación del SNC, ya que está 
involucrado en procesos ontogénicos como la proliferación, maduración, supervivencia y migración 
neuronal, formación, remodelación y eliminación de sinapsis, así como también en el establecimiento 
y refinamiento de las conexiones neuronales (Pasantes et al., 1991). 
El L-glutamato es un aminoácido común que juega un papel central en el metabolismo celular del 
cerebro participando en muchas reacciones. Es el precursor del ácido γ-aminobutírico (GABA) en 
neuronas GABAérgicas, y de la glutamina en las células gliales; es un constituyente de proteínas y 
péptidos como el glutatión. El glutamato es un aminoácido no esencial que no cruza la barrera 
hematoencefálica, por lo que el SNC cuenta con enzimas para su síntesis. La síntesis de glutamato se 
realiza a partir de la glucosa y de los aminoácidos que cruzan la barrera hematoencefálica. La glucosa 
sanguínea es convertida a α-cetoglutarato después de su oxidación por medio de la glucólisis y del 
ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo TCA, ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs). En este proceso 
el α-cetoglutarato recibe un grupo amino de otro aminoácido mediante una reacción de transaminación 
catalizada por aminotransferasas, enzimas dependientes de fosfato de piridoxal (coenzima que 
contiene la vitamina B6 o piridoxina), y es convertido a glutamato. El glutamato se encuentra en 
equilibrio con y es continuamente reconvertido a α–cetoglutarato y metabolizado mediante el ciclo de 
Krebs (Hassel y Dingledine, 2006). 
Después de su liberación de las terminales nerviosas, gran parte del glutamato es tomado de la 
hendidura sináptica tanto por las neuronas como por la glía que rodea las sinapsis. El glutamato 
captado por los astrocitos reacciona con el amoniaco para formar glutamina por medio de la glutamina 
4 
 
sintetasa, enzima dependiente de adenosín trifosfato (ATP). La glutamina es exportada al líquido 
extracelular y tomada por las neuronas glutamatérgicas; en la terminal sináptica de estas neuronas, la 
glutamina es hidrolizada a ácido glutámico y amonio por la acción de la glutaminasa activada por 
fosfato, que es una enzima mitocondrial. Este paso de glutamato y glutamina entre las neuronas y los 
astrocitos es llamado el ciclo glutamina-glutamato. Tanto los astrocitos como las neuronas tienen 
transportadores que son impulsados por el gradiente de Na+ y concentran la glutamina dentro de las 
células (Broman et al., 2000; Kandel et al., 2000; Hassel y Dingledine, 2006). 
Por lo tanto, todas las células del cerebro, neuronales y gliales, contienen glutamato, que se encuentra 
en el citosol y la mitocondria, tanto en los cuerpos celulares como en sus prolongaciones. En las 
neuronas glutamatérgicas, el glutamato está concentrado en las vesículas sinápticas; esta acumulación 
depende de la actividad de los transportadores vesiculares de glutamato (VGLUTs), que son proteínas 
especializadas que se encuentran en las membranas vesiculares, son complejos multiméricos y son 
antiportadores protón/glutamato. 
La sinapsis es la zona de contacto especializada en la que una neurona se comunica con otra. La 
sinapsis glutamatérgica clásica es un punto de comunicación entre una terminal nerviosa presináptica y 
una espina dendrítica postsináptica (sinapsis axo-dendríticas) u otra terminal nerviosa (sinapsis axo-
axonal). Durante la transmisión sináptica se libera el neurotransmisor de las terminales presinápticas 
que contienen los grupos de vesículas sinápticas individuales, cada una las cuáles está ocupada por 
muchas moléculas (~1200) de glutamato que han sido transportadas por los VGLUTs al interior de las 
vesículas después de su síntesis. Las vesículas sinápticas se acumulan en regiones de la membrana 
especializadas para la liberación del transmisor que son conocidas como zonas activas. Lo que 
desencadena la liberación del neurotransmisor es la descarga de un potencial de acción que llega a la 
terminal del axón presináptico, ésto provoca que se abran los canales de Ca2+ sensibles al voltaje en la 
zona activa. El flujo del Ca2+ hacia adentro produce una elevada concentración intracelular de este ion 
cerca de la zona activa, que hace que las vesículas se fusionen con la membrana celular presináptica y 
liberen el glutamato a la hendidura sináptica por medio de exocitosis. Una vez liberado el 
neurotransmisor, se reciclan las membranas vesiculares en la terminal nerviosa por endocitosis. Las 
moléculas de glutamato liberadas difunden entonces a través de la hendidura sináptica y se unen a los 
receptores específicos de la membrana de la célula postsináptica. Esta unión provoca la activación de 
5 
 
los receptores, lo que da como respuesta la apertura de canales iónicos o la activación de vías 
intracelulares. El flujo iónico que resulta de ello altera la conductancia y el potencial de membrana de 
la célula postsináptica, dando lugar a la despolarización transitoria y a la generación de un potencial de 
acción cuando la despolarización es lo suficientemente intensa para llevar el potencial de membrana al 
umbral de generación de un potencial de acción (Kandel et al., 2000). 
Las sinapsis glutamatérgicas (figura 1) son reconocidas como asimétricas, ya que la membrana 
postsináptica parece mas gruesa que la presináptica, esta densidad postsináptica (PSD) puede contener 
hasta 100 proteínas diferentes, entre ellas los receptores al glutamato. Existen 2 principales categorías 
de receptores al glutamato: los receptores ionotrópicos que son canales de cationes que se abren 
permitiendo el flujo de los iones cuando el glutamato se une a ellos; y los receptores metabotrópicos 
que activan enzimas intracelulares a través de proteínas G cuando se unen al glutamato. Se conocen 3 
clases de receptores ionotrópicos: los receptores tipo NMDA (N-metil-D-aspartato), AMPA (ácido α-
amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol propiónico) y KA (kainato), nombrados así por sus agonistas 
selectivos. Los receptores ionotrópicos son complejos tetraméricos de las diferentes subunidades 
individuales de cada tipo de receptor en distintas combinaciones. Existen un número considerable de 
variantes de las subunidades relacionadas con el empalme alternativo de los transcritos de RNA o con 
la edición del RNA, y diversos patrones de expresión de las subunidades a lo largo del SNC; ésto da 
lugar a múltiples subtipos de receptores funcionales tipo AMPA, kainato y NMDA, y establece una 
heterogeneidad de los receptores a glutamato en todo el SNC (Seeburg, 1993; Hollman y Heinemann, 
1994). 
6 
 
 
Figura 1. Representación esquemática de una sinapsis glutamatérgicaaxodendrítica que consiste de una terminal 
nerviosa presináptica y una espina dendrítica postsináptica. La terminal nerviosa contiene vesículas sinápticas 
con transportadores vesiculares de glutamato (puntos rojos), mitocondrias (azules) con glutaminasa en la 
terminal nerviosa (punto amarillo), receptores al glutamato metabotrópicos, y transportadores de glutamato 
(EAAT2) y glutamina (transportadores SA). La espina dendrítica postsináptica contiene receptores al glutamato 
ionotrópicos (tipo AMPA y NMDA) y metabotrópicos, y transportadores de glutamato (EAAT3 y EAAT4). 
Alrededor de la sinapsis están los procesos de los astrocitos con transportadores de glutamato (EAAT1 y 
EAAT2) y de glutamina (transportadores SN), receptores al glutamato y hasta vesículas llenas de glutamato. El 
glutamato que se escapa de la sinapsis sin haber sido recapturado por los transportadores puede difundir hacia las 
sinapsis vecinas. AMPA-R: receptores tipo AMPA; NMDA-R: receptores tipo NMDA; EAAT1-4: 
transportadores de aminoácidos excitadores 1-4; Gln: glutamina; Glu: glutamato; mGlu-R: receptores al 
glutamato metabotrópicos; SA y SN: transportadores de glutamina sistema A y sistema N respectivamente 
(Modificada de Hassel y Dingledine, 2006). 
 
La mayoría, si no es que todos los receptores tipo NMDA en el cerebro son heteroméricos, como 
parece ser también el caso de los receptores tipo AMPA y kainato. Se han identificado 3 familias de 
subunidades de los receptores tipo NMDA, la primera representada por un único gen (NR1), la 
segunda por 4 genes (NR2A-NR2D), y la tercera por 2 genes conocidos (NR3A-NR3B). Estos 
receptores permiten el flujo de Ca2+ (hacia adentro), de Na+ (hacia adentro) y de K+ (hacia afuera), y la 
apertura del canal depende tanto del voltaje de membrana como del transmisor químico. La 
incorporación de una subunidad NR3 a estos receptores reduce la permeabilidad al Ca2+ del canal del 
receptor (Sasaki et al., 2002; Matsuda et al., 2002). El receptor tipo NMDA es único entre todos los 
receptores a neurotransmisores conocidos en su requerimiento de la unión simultánea de 2 diferentes 
7 
 
agonistas para su activación, ya que además del sitio de unión ocupado por el glutamato en la 
subunidad NR2, se requiere de la unión de la glicina a un sitio que se encuentra en la subunidad NR1 
para la activación del receptor. El glutamato y la glicina son referidos como co-agonistas del receptor 
NMDA ya que ninguno de los 2 actuando solo puede abrir el canal iónico (Kleckner et al., 1988; 
Dingledine et al., 1999). Los receptores tipo NMDA son de los receptores a neurotransmisores más 
ampliamente regulados, ya que tienen varios sitios de regulación distintos que unen ligandos 
endógenos que influyen en la probabilidad de la apertura del canal iónico. Los que promueven la 
activación del receptor consisten en los 2 sitios de reconocimiento para los co-agonistas (glutamato y 
glicina), y uno ó más sitios reguladores que unen poliaminas (como la espermina y espermidina); y los 
que actúan inhibiendo el flujo iónico a través de los receptores aunque éstos ya tengan los agonistas 
unidos, son sitios de reconocimiento para Mg2+, Zn2+ y H+. El Mg2+ extracelular se une a un sitio del 
poro del canal abierto y actúa como un tapón bloqueando el flujo de corriente. Ejerce un bloqueo del 
canal iónico abierto dependiente de voltaje porque a potenciales de membrana de reposo (-65 mV) ó 
más negativos (hiperpolarizado), la entrada de Mg2+ al poro del canal bloquea el movimiento de los 
iones a través de éste, aún cuando los 2 coagonistas estén unidos a sus sitios. Conforme el potencial de 
membrana va siendo menos negativo o hasta positivo, la afinidad del Mg2+ por su sitio de unión 
disminuye, el Mg2+ es expulsado del canal por repulsión electrostática y el bloqueo se vuelve 
inefectivo, por lo tanto, la despolarización libera al canal del bloqueo por el Mg2+ y por esta razón este 
receptor es dependiente de voltaje (Nowak et al., 1984). El estado redox del receptor también afecta las 
respuestas mediadas por él, ya que uno de los pares de residuos de cisteínas puede estar reducido (lo 
cual potencia las corrientes mediadas por el receptor NMDA) u oxidado y formar puentes disulfuro (lo 
cual reduce las corrientes). Los agonistas del receptor tipo NMDA son típicamente aminoácidos 
dicarboxílicos de cadena corta como el glutamato, aspartato y NMDA (Hassel y Dingledine, 2006). 
Los receptores tipo AMPA están ampliamente distribuidos en el SNC, sirven como receptores para la 
neurotransmisión sináptica excitadora rápida mediada por glutamato y son independientes de voltaje. 
Estos receptores son complejos homo- o hetero-tetraméricos formados por 4 subunidades, GluR1-
GluR4 en varias combinaciones, las cuáles están codificadas por genes separados y son expresadas 
abundantemente a lo largo del SNC (Hollmann y Heinemann, 1994). Los receptores que contienen la 
subunidad GluR2 en su estructura son permeables a Na+ y K+. Esta subunidad GluR2 determina la 
8 
 
permeabilidad a Ca2+ de los receptores AMPA porque la presencia de al menos un GluR2 en su 
estructura los hace impermeables al catión, mientras que los receptores que carecen de esta subunidad 
son permeables a calcio, siendo 3 a 5 veces más permeables a Ca2+ que a Na+ (Hollmann et al., 1991; 
Hume et al., 1991). Sin embargo, no solo la presencia de la subunidad determina esta permeabilidad, 
sino que también las modificaciones posttranscripcionales que editan el sitio Q/R de la subunidad 
GluR2 (figura 2) substituyendo la glutamina (Q) no cargada por una arginina (R) cargada 
positivamente que impide el flujo de calcio a través del poro (Burnashev et al., 1992a). Por lo tanto, un 
déficit en la edición posttranscripcional de la subunidad GluR2 da como resultado receptores 
permeables a Ca2+ también. Las subunidades de los receptores tipo NMDA tienen una asparagina (N, 
aminoácido polar y sin carga como la glutamina) en el sitio homólogo al Q/R, lo que les confiere su 
alta permeabilidad al Ca2+ (Burnashev et al., 1992b). Para algunas de las subunidades de los receptores 
tipo Kainato, también se ha demostrado la edición del RNA para el sitio Q/R y otros sitios, con los 
cambios asociados en su permeabilidad iónica. 
 
Figura 2. Estructura de las subunidades GluR del receptor tipo AMPA mostrando sus dominios funcionales. La 
figura de la derecha y la tabla muestran cómo la presencia de la subunidad GluR2 y su sitio de edición Q/R 
determinan la permeabilidad al Ca2+ del receptor. La NAS bloquea específicamente los receptores tipo AMPA 
permeables a Ca2+. AMPA: α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol propionato; GluR: Subunidad del receptor al 
glutamato; M1-M4: Dominio membranal 1-4; NAS: 1-naftil acetil espermina; Q/R: Glutamina/arginina 
(Modificada de Corona et al., 2007). 
 
 
 
9 
 
Los receptores tipo AMPA en general pueden ser bloqueados específicamente por ciertas 
quinoxalinedionas, notablemente por la 6-nitro 7-sulfamobenzo[f] quinoxalina-2,3-diona (NBQX), que 
es un antagonista competitivo potente y selectivo de estos receptores. 
Los receptores tipo kainato funcionales están también ampliamente distribuidos y se forman por las 
subunidades de la familia GluR5-GluR7, que se asocian a la subunidad KA1 ó a la KA2. Se han 
identificado receptores de este tipo de baja y alta afinidad. Así como los receptores tipo AMPA se 
desensibilizan en milisegundos tras la exposición a AMPA, los receptores tipo kainato lo hacen de la 
misma manera tras la exposición a kainato (Dingledine et al., 1999). 
Los receptores metabotrópicos al glutamato están unidos a las enzimas citoplásmicas asociadas con las 
vías de transducción de señales por medio de proteínas G triméricas. Se han clonado 8 mGluRs, 
nombrados mGluR1-mGluR8, y han sido agrupados en 3 clases funcionales basadas en la homología 
de su secuencia de aminoácidos, en la farmacología de sus agonistas y en la vía de transducción deseñales a la que están acoplados. Los mGluRs que pertenecen al grupo I (mGluR1 y mGluR5) 
estimulan la actividad de la fosfolipasa C y la liberación de Ca2+ de los almacenamientos 
intracelulares; la activación de la fosfolipasa C da lugar a la formación de inositol-1,4,5-trifosfato (IP3) 
y diacilglicerol (DAG), quien activa a la proteína cinasa C (PKC). La activación de los mGluRs que 
pertenecen al grupo II (mGluR2 y mGluR3) y al grupo III (mGluR4, mGluR6, mGluR7 y mGluR8) 
resulta en la inhibición de la adenilato ciclasa, reduciendo la cantidad intracelular de AMPc (Hollmann 
y Heinemann, 1994). 
La activación de los mGluRs localizados en la membrana postsináptica modulan la actividad de una 
amplia variedad de canales iónicos regulados por ligando y por voltaje expresados en las neuronas. 
Estudios inmunohistoquímicos han revelado que hay mGluRs en las terminales presinápticas de las 
neuronas centrales. La activación de los mGluRs presinápticos bloquea tanto la transmisión sináptica 
excitadora glutamatérgica como la transmisión sináptica inhibidora GABAérgica en varias estructuras 
centrales (Hassel y Dingledine, 2006). En la figura 3 se muestran todas las clases de los receptores al 
glutamato y sus subunidades. 
10 
 
 
Figura 3. Familia de los receptores ionotrópicos y metabotrópicos de glutamato. Los receptores ionotrópicos 
forman canales permeables a los iones señalados, mientras que los metabotrópicos están acoplados a proteínas G 
produciendo (+) o inhibiendo (-) las enzimas o segundos mensajeros que se indican. Los receptores están 
formados por varias subunidades protéicas, cada una codificada por un diferente gen, que se señalan en la parte 
de abajo de cada tipo de receptor. NMDA: N-metil-D-aspartato; AMPA: Ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-
isoxazol propiónico; KA: Kainato; mGluR: Receptor al glutamato metabotrópico; PLC: Fosfolipasa C; IP3: 
Inositol-1,4,5-trifosfato; DAG: Diacilglicerol; AC: Adenilato ciclasa; cAMP: Adenosín monofosfato cíclico 
(Modificada de Corona y Tapia, 2005). 
 
La transmisión sináptica glutamatérgica es rápidamente terminada por medio de la remoción del 
glutamato del espacio extracelular, ésto es importante para mantener su concentración por debajo de 
los niveles neurotóxicos, y evitar así la sobreactivación de la célula postsináptica. El glutamato es 
principalmente removido por medio de la recaptura del neurotransmisor del espacio sináptico hacia las 
neuronas y células gliales. La remoción activa del neurotransmisor es llevada a cabo por los 
transportadores de glutamato de alta y baja afinidad y se da en 2 pasos: unión del glutamato a los 
transportadores y translocación al interior de las células. La recaptura de glutamato se da en contra de 
su gradiente de concentración, por lo que necesita de una fuerza motriz, la cual es dada principalmente 
por el gradiente electroquímico de Na+ a través de la membrana plasmática. El glutamato entra a la 
11 
 
célula con 3 iones Na+ y un H+, mientras que un ion K+ es contra-transportado, resultando en la 
reorientación del transportador de tal manera que el sitio de unión al glutamato es accesible de nuevo 
al espacio extracelular (Zerangue y Kavanaugh, 1996; Levy et al., 1998; Danbolt, 2001). 
Cinco de los transportadores de glutamato de alta afinidad han sido identificados, clonados y 
localizados en el SNC. Se han nombrado EAAT 1-5, por transportador de aminoácidos excitadores: 
EAAT1, también conocido como transportador de glutamato/aspartato (GLAST) en tejidos de 
mamíferos no humanos; EAAT2, también llamado transportador de glutamato 1 (GLT1) en roedores; 
EAAT3 o acarreador de aminoácidos excitadores 1 (EAAC1); EAAT4 y EAAT5. EAAT2 es el 
transportador de glutamato más abundante en el SNC y está localizado casi exclusivamente en 
astrocitos, aunque también existe evidencia de que puede ser expresado por las neuronas durante el 
desarrollo, en el sistema nervioso adulto, y al menos una parte de esta proteína se encuentra en las 
terminales nerviosas presinápticas (Rothstein et al., 1994; Furuta et al., 1997; Schmitt et al., 1996; 
Schmitt et al., 2002); acarrea probablemente ~90% del glutamato liberado, como sugiere el hecho de 
que los ratones que carecen de esta proteína sufren descargas, presentan lesiones corticales y mueren 
prematuramente (Tanaka et al., 1997). Este transportador esta distribuido principalmente en astrocitos 
en todo el SNC, con una alta concentración en el hipocampo, corteza cerebral y médula espinal 
(Rothstein et al., 1994). El hecho de que exista una alta densidad de transportadores de glutamato, 
significa que pueden competir con los receptores al glutamato para unir al neurotransmisor, y por lo 
tanto modular su señal. 
 
Neurodegeneración 
La neurodegeneración es un fenómeno que ocurre durante los padecimientos agudos y crónicos del 
SNC, como son los accidentes vasculares cerebrales (isquemia), hipoxia, hipoglicemia, traumatismos 
craneoencefálicos y de la médula espinal, epilepsia y en numerosas enfermedades neurodegenerativas 
tales como la esclerosis lateral amiotrófica (ALS), las enfermedades de Parkinson, de Alzheimer y de 
Huntington. Muchos de estos padecimientos comparten características patológicas de una pérdida 
neuronal gradual y selectiva, siendo que los grupos neuronales primordialmente afectados varían 
según la enfermedad. Para poder encontrar tratamientos efectivos para estos padecimientos es 
importante entender las causas y los mecanismos celulares y moleculares que participan en el daño y 
12 
 
muerte neuronal. Si bien no se ha tenido éxito en conocer las causas, sí se tiene un gran avance en el 
conocimiento de los procesos celulares que muy probablemente juegan un papel importante en los 
mecanismos de la neurodegeneración. Éstos incluyen la excitotoxicidad por sobreactivación de los 
receptores glutamatérgicos, el incremento en la concentración intracelular de Ca2+ libre, el estrés 
oxidativo y la disfunción mitocondrial (Tapia, 1998; Tapia et al., 1999, Coyle y Puttfarcken, 1993). 
Estos mecanismos no son mutuamente excluyentes, están estrechamente relacionados entre sí, y 
pueden interactuar y cooperar en el establecimiento de un círculo vicioso que resulta en muerte 
neuronal. Este círculo vicioso de daño a las neuronas podría ser iniciado alternativamente en sitios 
diferentes (comenzado por excitotoxicidad o desencadenado por estrés oxidativo o falla energética), 
pero una vez desencadenado, un proceso puede conducir a o potenciar los otros, dando lugar a 
mecanismos multifactoriales e interdependientes de muerte celular. 
 
Excitotoxicidad y neurodegeneración 
El glutamato y sus agonistas (como el NMDA, Kainato y AMPA), además de tener efectos excitadores 
potentes sobre sus receptores, pueden ser potentes neurotoxinas, ya que una transmisión sináptica 
glutamatérgica excesiva puede resultar en neurodegeneración. 
Se encontró por primera vez que el glutamato y otros aminoácidos pueden actuar como neurotoxinas 
cuando éstos fueron administrados a animales inmaduros, en los cuáles se observó neurodegeneración 
aguda en las áreas que no están bien protegidas por la barrera hematoencefálica. Así, los primeros 
experimentos que sugirieron que el glutamato podría ser una neurotoxina fueron los realizados en 1957 
por Lucas y Newhouse, quienes mostraron que inyecciones intraperitoneales de L-glutamato a ratones 
inmaduros podían producir degeneración de las células de la retina destruyendo las capas internas de 
ésta (Lucas y Newhouse, 1957). Estas observaciones fueron replicadas y extendidas por Olney, quien 
confirmó la toxicidad a la retina provocada por el glutamato, reportando además que esta 
retinotoxicidad está acompañada por un rápido hinchamiento celular que es más pronunciado cerca de 
los componentes dendrosomales. Este aspecto histológico de la excitotoxicidad aguda comprende un 
edema masivo de los cuerpos celulares neuronales y lasdendritas, congruente con la localización 
predominantemente somatodendrítica de los receptores de glutamato en las sinapsis excitadoras. 
También comprobó que el glutamato induce necrosis neuronal aguda en varias regiones del cerebro en 
13 
 
desarrollo, incluyendo el hipotálamo, y también encontró lesiones agudas en cerebros de ratones 
adultos a los que se les administraron dosis más altas. Así, Olney introdujo el término excitotoxicidad 
para describir la neurodegeneración mediada por aminoácidos excitadores, cuyas propiedades tóxicas 
están relacionadas a las propiedades excitadoras que tienen sobre sus receptores (Olney, 1969; Olney, 
1978). Se han realizado numerosos estudios después de estos, tanto in vivo como in vitro, demostrando 
que se produce neurodegeneración cuando las células nerviosas son expuestas a glutamato y a los 
agonistas de sus receptores. Los factores que contribuyen a la neurodegeneración son muchos y se ha 
implicado la activación de toda clase de los receptores al glutamato como mediadores de la toxicidad, 
siendo reconocido que los receptores ionotrópicos juegan un papel central (Choi, 1988a; Tymianski, 
1996). 
La activación masiva de los receptores al glutamato provoca cambios en las concentraciones 
intracelulares de iones, especialmente de Ca2+ y Na+. La entrada de Na+ provoca la entrada secundaria 
de Cl- y H2O, lo que puede causar edema intracelular, ruptura de la membrana celular y por lo tanto 
lisis de la célula. Se ha comprobado en cultivos de hipocampo y retina que esta entrada de Na+ puede 
causar cierto daño por sí sola, ya que estas células exhiben hinchamiento irreversible mediado por Na+ 
aún en la ausencia de Ca2+ extracelular (Rothman, 1985; Olney et al., 1986). Sin embargo, Choi 
enfatizó el papel importante de la entrada de Ca2+ en la neurotoxicidad mediada por glutamato, como 
había sido propuesto inicialmente por Berdichevsky y colaboradoes (Berdichevsky et al., 1983). Así, 
Choi propuso la hipótesis de que la sobrecarga de Ca2+ neuronal conduce a subsiguiente 
neurodegeneración, al demostrar que la entrada de este catión a las neuronas es un factor determinante 
para la muerte excitotóxica (Choi, 1985; 1987; 1995; Choi et al., 1987). En los experimentos de 
sustitución iónica, Choi y sus colaboradores comprobaron que, a pesar de que la remoción de Na+ 
extracelular elimina el hinchamiento neuronal agudo en cultivos de células corticales expuestas a 
glutamato, las neuronas todavía sufren degeneración retardada a menos que el Ca2+ extracelular sea 
removido. Sus observaciones sugirieron 2 componentes de la excitotoxicidad: primero un componente 
agudo dependiente de Na+ y Cl- marcado por el hinchamiento celular inmediato, y segundo, una 
degeneración celular retardada mediada por Ca2+. Concluyeron pues que el componente de Ca2+ es la 
causa más significativa de muerte neuronal. Se ha confirmado en muchos trabajos subsecuentes que 
existe una relación estrecha entre la excesiva entrada de Ca2+ y el daño neuronal (Choi, 1988a; 
14 
 
Tymianski y Tator, 1996; Tymianski, 1996). 
Al principio, se consideraba que los receptores tipo NMDA eran los únicos que participaban en la 
excitotoxicidad (Choi, 1988b); sin embargo, ahora está claro que la activación de los receptores no-
NMDA es igual de importante (Koh et al., 1990; Prehn et al., 1995). De esta manera, el mediador 
predominante del daño neuronal es la sobrecarga en la concentración intracelular de Ca2+ libre, que se 
puede dar por un mayor flujo a través de los receptores tipo NMDA, de los receptores tipo AMPA 
permeables a Ca2+, por su liberación de sitios donde se acumula intracelularmente (como el retículo 
endoplásmico) y por su deficiente amortiguamiento por las mitocondrias. 
Por lo tanto, la excitotoxicidad es un proceso en el cual la sobreactivación de los receptores 
postsinápticos de glutamato, da lugar a una despolarización prolongada de las neuronas, permitiendo 
una entrada masiva de Ca2+ principalmente a través de estos receptores al glutamato permeables a este 
catión, desencadenando la activación no controlada de procesos perjudiciales que eventualmente 
producen muerte neuronal (Arundine y Tymianski, 2003, figura 4). 
En la actualidad, existe amplia evidencia experimental que sugiere que la excitotoxicidad puede estar 
jugando un papel muy importante en las enfermedades neurodegenerativas (Coyle y Puttfarcken, 1993; 
Lipton y Rosenberg, 1994; Doble, 1999). 
Se han distinguido 2 tipos de excitotoxicidad, denotados con los términos excitotoxicidad clásica y 
excitotoxicidad indirecta o lenta (Doble, 1999; Van Den Bosch et al., 2006). La excitotoxicidad clásica 
se refiere a la degeneración neuronal que ocurre después de un incremento de la concentración 
extracelular de glutamato, mientras que la excitotoxicidad indirecta se refiere a la muerte de una 
neurona postsináptica debilitada en la presencia de niveles normales de glutamato sináptico. Se piensa 
que en condiciones como epilepsia, accidentes cerebrovasculares (isquemia) y neurotraumatismos, el 
daño neuronal es inducido por elevaciones agudas de glutamato, mientras en enfermedades 
neurodegenerativas la excitotoxicidad se da por elevaciones más crónicas y suaves de glutamato. 
Las concentraciones elevadas de glutamato extracelular pueden darse cuando la liberación de las 
terminales presinápticas es aumentada o cuando la recaptura de la hendidura sináptica es insuficiente; 
también pueden resultar de la liberación del contenido intracelular de glutamato de neuronas dañadas 
lo cual puede dar lugar a la muerte excitotóxica de neuronas vecinas, participando así en la 
propagación de la neurodegeneración. En el caso de la excitotoxicidad indirecta, una estimulación 
15 
 
normal de los receptores al glutamato de una neurona postsináptica debilitada es suficiente para causar 
daño y matar a la célula. Por ejemplo, el trastorno de la función mitocondrial puede resultar en este 
tipo de excitotoxicidad ya que la neurona tiene un estado energético deficiente y por lo tanto los 
niveles de ATP intracelulares disminuidos; como consecuencia, la neurona no puede satisfacer las 
demandas de los muchos procesos dependientes de ATP, se daña y por último muere (Novelli et al., 
1988; Henneberry et al., 1989). 
 
Figura 4. Representación esquemática de los mecanismos bioquímicos involucrados durante la excitotoxidad 
glutamatérgica. El aumento en la concentración extracelular de glutamato en el espacio sináptico puede producir 
una estimulación excesiva de los receptores al glutamato, incluyendo los receptores tipo AMPA permeables a 
Ca2+ que carecen de la subunidad GluR2 o no está editada y los receptores tipo NMDA. Esto da como resultado 
un aumento en la concentración intracelular de Ca2+, lo que desencadena procesos de deterioro como daño 
mitocondrial con la consecuente alteración del metabolismo energético, generación de radicales libres, activación 
de enzimas líticas como las proteasas, lipasas, endonucleasas, despolarización de membranas, daño nuclear y 
membranal. Todo esto eventualmente produce muerte neuronal. NMDA: Receptores tipo N-metil-D-aspartato; 
AMPA: Receptores tipo ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol propiónico; VSSC: Canales de sodio 
sensibles a voltaje; VSCC: Canales de calcio sensibles a voltaje; IP3: Inositol-1,4,5-trifosfato; Glu: Glutamato; 
EAAC1: Acarreador de aminoácidos excitadores 1; GLAST: Transportador de glutamato/aspartato; GLT1: 
Transportador de glutamato 1. 
 
La muerte neuronal excitotóxica tiende a ser una muerte necrótica (Choi et al., 1987; Gwag et al., 
1997), aunque también se ha reportado el paso a una forma de muerte apoptótica ante una intensidad 
decreciente de exposición a glutamato (Tenneti et al., 1998). La función mitocondrial y la medida en la 
16 
 
que el ATP disminuye son factores críticos que determinan la forma de muerte neuronal por 
excitotoxicidad, pueden inducir necrosis tempranaen una subpoblación de las neuronas asociada con 
un severo agotamiento de ATP, o apoptosis retardada en las neuronas sobrevivientes a la fase necrótica 
asociada con una disminución más moderada de ATP (Ankarcrona et al., 1995). 
 
Calcio, mitocondria, estrés oxidativo y su relación con la muerte neuronal 
En condiciones fisiológicas, el Ca2+ participa como mensajero intracelular en muchas de las funciones 
celulares normales, como son el crecimiento celular, diferenciación, transducción de señales, 
regulación de la excitabilidad membranal, exocitosis y la actividad sináptica. La concentración 
citoplásmica de Ca2+ en las neuronas en estado de reposo es mantenida en niveles bajos (~100 nM), a 
una concentración 10,000 veces menor que la del medio extracelular; para asegurar esto, las neuronas 
poseen mecanismos homeostáticos especializados, como son la regulación de la entrada y salida de 
Ca2+, la quelación por proteínas que capturan calcio, almacenamiento en la mitocondria y el retículo 
endoplásmico, y remoción por medio de las Ca2+-ATPasas. Además, las neuronas no sólo controlan los 
niveles de Ca2+ intracelular, sino que también la localización de estos iones mediante una interacción 
compleja entre la entrada, salida, amortiguamiento y almacenamiento interno de Ca2+. Así, bajo 
condiciones fisiológicas, estos procesos hacen posible que las señales de Ca2+ se mantengan espacial y 
temporalmente localizadas, permitiendo que múltiples rutas de señalización reguladas por este catión 
ocurran independientemente dentro de la misma célula. 
Durante la neurotransmisión, las elevaciones fisiológicas de Ca2+ intracelular son importantes después 
de la activación normal de los receptores postsinápticos, sin embargo, ante la sobreactivación de los 
receptores, la excesiva entrada de Ca2+ extracelular junto con su salida de compartimentos 
intracelulares, puede elevar su concentración a niveles que excedan la capacidad de los mecanismos 
que la regulan. Ésto provoca la activación inapropiada de procesos dependientes de Ca2+ que 
normalmente están inactivos u operan a niveles bajos, provocando trastornos metabólicos y muerte 
celular eventual (Tymianski y Tator, 1996). 
La concentración intracelular excesiva de Ca2+ daña a las neuronas a través de varios mecanismos, 
incluyendo la activación de varias enzimas, como proteasas, lipasas, fosfatasas y endonucleasas, 
provocando alteraciones en proteínas, lípidos, membranas, y ácidos nucléicos; la generación de 
17 
 
especies reactivas de oxígeno (ROS) tóxicas, daño mitocondrial y trastornos del metabolismo 
energético, así como despolarización de membranas; todos estos eventos producen eventualmente 
destrucción de membranas y muerte neuronal (Arundine y Tymianski, 2003; Shaw, 1999). 
 
El SNC es particularmente vulnerable a daño oxidativo debido a su alto gasto de energía y demanda de 
oxígeno. El estrés oxidativo se da cuando la producción de ROS es tan elevada que supera la 
capacidad de las defensas antioxidantes de la célula que normalmente desintoxican rápidamente los 
reactivos intermedios o reparan el daño resultante (enzimas de defensa antioxidante y compuestos 
antioxidantes per se), creando un desequilibrio en el balance normal redox de la célula y generando 
una concentración de radicales libres por encima de los niveles normales. Dada su alta reactividad, la 
producción aumentada de ROS puede desencadenar la degradación peroxidativa de lípidos de 
membrana, el daño a enzimas, otras proteínas y ácidos nucléicos, generando así una serie de eventos 
destructivos al dañar todos los componentes de la célula. El estrés oxidativo es una característica 
común de muchas formas diferentes de enfermedades neurodegenerativas (Andersen, 2004). 
El incremento intracelular de Ca2+ estimula la producción de radicales libres mediante la activación de 
la óxido nítrico sintasa (NOS), enzima que cataliza producción de óxido nítrico (NO•). También en 
condiciones de Ca2+ intracelular elevado, la xantina deshidrogenasa (XDH) es convertida a xantina 
oxidasa (XOD) vía activación de proteasas, y la conversión de hipoxantina y xantina a ácido úrico por 
medio de la XOD da lugar a la producción del radical superóxido (O2•-). El NO• reacciona rápidamente 
con el O2•- dando el anión peroxinitrito (ONOO-), que se descompone al radical hidroxilo (•OH), el 
radical de oxígeno más reactivo. Por otro lado, la dismutación de O2•- por la superóxido dismutasa 
(SOD) produce peróxido de hidrógeno (H2O2), el cuál en la presencia de Fe2+ se descompone a •OH 
mediante la reacción de Fenton. También se puede dar la reacción entre el O2•- y el H2O2 resultando en 
la producción de •OH. 
La activación excesiva de los receptores al glutamato provoca estrés oxidativo; muchos estudios 
corroboran que hay una mayor producción de ROS durante la excitotoxicidad y que el daño oxidativo 
resultante es un componente muy importante de la degeneración neuronal (Atlante et al., 2001; Bondy 
et al., 1993; Almeida et al., 2001; Lafon-Cazal et al., 1993a; Lafon-Cazal et al., 1993b; Reynolds y 
Hastings, 1995; Matson el al., 1995; Dugan et al., 1995; Coyle y Puttfarcken, 1993). 
18 
 
La principal función de las mitocondrias en las células es llevar a cabo la síntesis de ATP, sin embargo 
las mitocondrias poseen también otras funciones, como la de amortiguamiento de Ca2+ intracelular, y 
participan en procesos asociados con daño y muerte celular, como son el estrés oxidativo, la 
excitotoxicidad y la muerte necrótica y apoptótica. Así, la mitocondria juega un papel central en la 
sobrevivencia y muerte de las neuronas. 
El flujo de electrones a través de los complejos de la cadena respiratoria da lugar al bombeo de 
protones a través de la membrana mitocondrial interna haciendo que la matriz sea alcalina y negativa 
con respecto al espacio intermembrana. La fuerza protón-motriz (Δp) es el gradiente de protones con 
potencial electroquímico que se encuentra a través de la membrana mitocondrial interna y suministra 
la energía para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi por medio de la ATP sintasa. La Δp depende 
principalmente del potencial de membrana mitocondrial (Δψm) que es el potencial eléctrico (negativo 
en el interior), pero también del gradiente de pH (ΔpH) que es el potencial químico (alcalino en el 
interior), a través de la membrana mitocondrial interna. La energía conservada en un gradiente de 
protones también puede impulsar el transporte de solutos contra gradiente a través de la membrana. El 
Δψm es el parámetro central que controla 3 procesos celulares fundamentales y de gran relevancia para 
la sobrevivencia neuronal: la síntesis de ATP, el secuestro de Ca2+ mitocondrial, y la generación 
mitocondrial de ROS. Inversamente, Δψm es controlado por la disponibilidad de sustrato, la demanda 
de ATP, la capacidad de la cadena respiratoria, la conductancia de protones mitocondrial y por el 
secuestro de Ca2+ mitocondrial (Nicholls y Budd, 2000). Por lo tanto, el estatus de las propiedades 
bioenergéticas de las mitocondrias es crucial en el control de la susceptibilidad de las neuronas a estrés 
neurodegenerativo agudo o crónico y también en la determinación del destino de la célula en términos 
de sobrevivencia, apoptosis o necrosis. 
Gran parte de la demanda de ATP en las neuronas es utilizada en el bombeo de iones a través de la 
membrana plasmática para mantener el potencial de membrana. Así, la Na+/K+ ATPasa es el proceso 
de mayor demanda de ATP dentro de la neurona (Scott y Nicholls, 1980). El flujo masivo de iones 
durante la actividad sináptica y más aun durante la excitotoxicidad, exige una alta demanda energética 
a la neurona, ya que se aumenta la hidrólisis de ATP por la activación de la Na+/K+ ATPasa para sacar 
el exceso de Na+ de la célula, y la regulación de Ca2+ intracelular también es energéticamente costosa. 
19 
 
El Ca2+ es extruído de la célula y secuestrado en elretículo endoplásmico mediante transporte activo 
utilizando Ca2+-ATPasas, y también es eliminado de la célula por transporte activo secundario 
utilizando el intercambiador Na+/Ca2+ que al sacar Ca2+ y meter Na+ a la célula activa a la Na+/K+ 
ATPasa para sacar el exceso de Na+. La mitocondria también juega un papel crítico en la regulación de 
la concentración de Ca2+ citosólico, ya que secuestra este catión cuando la elevación en el Ca2+ 
citosólico excede la capacidad de los mecanismos de transporte activo, por medio de un uniportador 
que se encuentra en la membrana mitocondrial interna, y que es impulsado por el gran potencial 
eléctrico que existe a través de ésta (Nicholls, 1985). Esta captación de Ca2+ dentro de la mitocondria 
participa también en su funcionamiento, por ejemplo en la activación enzimática. 
Para evitar una acumulación potencialmente letal de este catión en la matriz mitocondrial (que se 
alcanzaría cuando la concentración de Ca2+ libre se elevara a un valor 105-106 mayor que en el medio 
extramitocondrial, concentración con la que se llegaría al equilibrio termodinámico debido al elevado 
potencial de membrana mitocondrial), existe un sistema de salida que intercambia Ca2+ por Na+; 
también está presente un transportador Na+/H+ mitocondrial, y así el flujo de iones en condiciones de 
una constante entrada de Ca2+ mitocondrial, consiste en una recirculación secuencial de Ca2+, Na+ y 
H+, la última impulsada por la cadena respiratoria (Nicholls y Budd, 2000; Crompton y Heid, 1978). 
Con todo, cuando la concentración de Ca2+ está por encima de un determinado punto crítico, en la 
presencia de concentraciones fisiológicas de fosfato, se forma en la matriz mitocondrial un complejo 
Ca2+-fosfato osmóticamente inactivo y rápidamente disociable, así las mitocondrias funcionan como 
amortiguadores eficientes de Ca2+ extramitocondrial, acumulando el catión (Nicholls, 1978; Becker et 
al., 1980). La cinética del transporte de Ca2+ mitocondrial sugiere que el organelo actúa como un 
almacén temporal de Ca2+ durante los picos de concentraciones citoplásmicas altas de este catión, 
puesto que el complejo calcio-fosfato es rápidamente disociable puede liberar el Ca2+ nuevamente al 
citoplasma cuando su concentración se recupera por debajo del punto crítico. Mientras la mitocondria 
continúa polarizada, el calcio citosólico se acumula en la matriz mitocondrial a través del uniportador 
de Ca2+. Cuando la mitocondria se despolariza, el calcio acumulado regresa al citoplasma, ya sea a 
través del propio uniportador de calcio, del intercambiador Na+/Ca2+ o a través del poro de la 
transición de la permeabilidad mitocondrial (PTPM, un gran complejo protéico que forma un poro no 
selectivo en la membrana mitocondrial interna). Además, cuando la concentración de Ca2+ no se 
20 
 
recupera por debajo del punto crítico, la acumulación excesiva del Ca2+ en la matriz mitocondrial 
puede conducir al hinchamiento mitocondrial, pérdida del control respiratorio, colapso del Δψm 
(despolarización) afectando la síntesis de ATP, y liberación del Ca2+ de la matriz provocado por la 
permeabilización de la membrana mitocondrial interna denominada transición de permeabilidad 
mitocondrial (MPT) (Al Nasser y Crompton, 1986; Nicholls y Budd, 2000). Por esta razón, la 
acumulación de Ca2+ mitocondrial parece jugar un papel clave en la excitotoxicidad glutamatérgica 
(Nicholls et al., 2003). 
In vitro, las neuronas expuestas a concentraciones tóxicas de glutamato presentan un patrón típico de 3 
distintas fases de elevación del Ca2+ citoplásmico: primero se da un pico elevado, que es seguido por 
una recuperación que lleva a una meseta que se mantiene por un periodo de tiempo. Esta recuperación 
puede deberse a la activación retardada de los mecanismos de extrusión de Ca2+, al secuestro 
mitocondrial, a la parcial desensibilización de los receptores NMDA o a la desensibilización rápida de 
los canales de Ca2+ activados por voltaje. Después de esta segunda fase caracterizada por una meseta, 
se da una pérdida descontrolada e irreversible de la homeostasis de Ca2+ citoplásmico llamada 
alteración de la regulación retardada de Ca2+ (DCD). La DCD predice con seguridad la lisis de la 
membrana plasmática y muerte necrótica subsecuentes (Tymianski et al., 1993). Las fases segunda y 
tercera pueden proceder aún después de la remoción del glutamato extracelular (Ankarcrona et al., 
1995; Milani et al., 1991; Randall y Thayer, 1992; Tymianski et al., 1993; Wang y Thayer, 1996). Hay 
evidencia de que la DCD es el punto final irreversible de una secuencia que involucra la sobrecarga de 
Ca2+ mitocondrial, la generación incrementada de ROS, y el daño oxidativo a la célula dando lugar a la 
falla en la extrusión de Ca2+. La DCD parece ser resultado de una falla en los mecanismos de extrusión 
de Ca2+ más que un flujo aumentado (Khodorov et al., 1996; Castilho et al., 1998), y una falla en la 
extrusión de Ca2+ podría resultar del agotamiento del ATP citoplásmico. Asimismo, la Ca2+-ATPasa de 
la membrana plasmática es muy sensible a daño oxidativo (Pereira et al., 1996). También se ha visto 
que éste induce la MPT en mitocondrias aisladas (Saxena et al., 1995). Hay evidencia que sugiere que 
el estrés oxidativo induce alteración de la regulación de Ca2+ citoplásmico y muerte neuronal (Beal, 
1996; Coyle y Puttfarcken, 1993; Castilho y Nicholls, 1999). 
Las mitocondrias consumen aproximadamente 98 % del oxígeno requerido por la célula debido a que 
son el sitio donde se lleva a cabo la fosforilación oxidativa, lo que las constituye un sitio primario de 
21 
 
producción intracelular de ROS. Diversos pasos en la ruta de reducción del oxígeno en las 
mitocondrias tienen el potencial para producir radicales libres porque el flujo de electrones 
mitocondrial que se da por la cadena respiratoria puede tener fugas de estos electrones hacia el 
oxígeno en sitios potenciales. Así, en el paso de electrones a través del complejo III y del complejo I 
interviene un radical ubisemiquinona como intermediario que puede, con baja probabilidad, pasar un 
electrón al O2 formando el radical O2•- que es un intermediario muy reactivo y un poderoso oxidante 
(Turrens et al., 1985; Dykens, 1997). Del O2 usado por mitocondrias que respiran activamente, un 
porcentaje (desde un 0.1% hasta un 4 %) forma O2•-, este radical libre debe ser eliminado rápidamente 
para evitar sus efectos letales sobre la célula. Las células poseen varias formas de la enzima SOD (la 
CuZn-SOD citoplásmica ó SOD1 y la Mn-SOD mitocondrial ó SOD2) para impedir el daño oxidativo 
por el radical superóxido. Esta enzima cataliza la dismutación del O2•- produciendo H2O2 y O2. El H2O2 
generado es convertido a H2O por la acción de 2 enzimas, la catalasa y la glutatión peroxidasa. La 
glutatión reductasa recicla el glutatión oxidado a su forma reducida utilizando electrones del NADPH. 
El glutatión reducido, que se encuentra en el citoplasma y en las mitocondrias, es el principal 
amortiguador redox celular contra el estrés oxidativo (Nicholls y Budd, 2000; Atlante et al., 2001). 
No obstante, defectos en los complejos de la cadena de electrones u otras perturbaciones de la 
mitocondria pueden ser responsables de una excesiva producción mitocondrial de radicales libres, 
provocando o incrementando la probabilidad de daño celular (Dykens, 1994). Se ha observado la 
estimulación de la producción mitocondrial de ROS ante la exposición a NMDA y kainato (Dugan et 
al., 1995; Carriedo et al., 1998). Asimismo, la sobrecarga de Ca2+ en la mitocondria aislada 
incrementa la producción de O2•- (Dykens, 1994; Kowaltowski et al., 1996). 
Además, es importante considerar que las mitocondrias no sólo pueden ser productoras de radicales 
libres, sino que son un blanco susceptible de éstos. Así, una situación patológica en la que se dé una 
producción inicial de ROS podría reducir la respiración mitocondrialy producir daño oxidativo a 
proteínas, lípidos o ácidos nucléicos mitocondriales, provocando daño grave y alterando la función 
normal de este organelo (Lenaz et al., 2002). Se ha demostrado que el DNA mitocondrial es más 
susceptible al daño por radicales libres que el DNA nuclear debido a su localización cercana a un sitio 
de importante producción de radicales libres, la cadena de transporte de electrones, a su carencia de 
histonas protectoras, y a mecanismos de reparación menos efectivos comparados con los que se 
22 
 
23 
 
encuentran en el núcleo (Richter et al., 1988). El estado redox de la mitocondria también afecta la 
apertura de la MPT. 
 
Se ha encontrado que la excitotoxicidad mediada por glutamato provoca notables cambios en la 
función mitocondrial in vitro, reducción en los niveles de ATP, colapso del potencial de membrana 
mitocondrial, una disminución del consumo de oxígeno mitocondrial y celular, y desacoplamiento de 
la fosforilación oxidativa que preceden a la muerte celular (Ankarcrona et al., 1995; Atlante et al., 
1996; Maus et al., 1999; Monje et al., 2001). Existe un vínculo entre la sobrecarga de Ca2+ intracelular 
inducida por excitotoxicicidad y el colapso de Δψm, ya que este aumento de Ca2+ intracelular y su 
acumulación en el organelo es suficiente para inducir despolarización mitocondrial prominente y 
persistente, dando lugar a la disfunción mitocondrial y a la muerte de las neuronas in vitro (Schinder et 
al., 1996; White y Reynolds, 1996). 
Por otra parte, hay evidencia abundante in vitro e in vivo de que cualquier restricción en la capacidad 
de la célula para generar ATP puede exacerbar o hasta inducir la excitotoxicidad glutamatérgica 
(excitotoxicidad indirecta). La hipótesis excitotóxica ligada a energía (Beal et al., 1993; Greene y 
Greenamyre, 1996; Henneberry, 1997; Henneberry et al., 1989; Novelli et al., 1988) propone que la 
correlación entre el daño excitotóxico y la restricción de energía se debe a la despolarización de la 
membrana plasmática resultante de la limitación energética. La disminución en los niveles de ATP 
causa una reducción en la función de la Na+/K+ ATPasa y de la Ca2+ ATPasa disminuyendo la 
extrusión de Na+ y de Ca2+. Esto provoca la despolarización de la membrana plasmática, y por lo tanto 
el aumento en la liberación de glutamato por exocitosis al espacio extracelular, y también el flujo de 
Ca2+ hacia el citosol a través de los canales de Ca2+ dependientes de voltaje y del receptor NMDA, 
también dependiente de voltaje. Además, en condiciones de falla energética, los transportadores del 
glutamato operan en dirección inversa porque el gradiente electroquímico Na+/K+ se colapsa debido al 
decremento de ATP, resultando en la disminución de la captura y en la liberación de glutamato no 
vesicular al espacio extracelular (Longuemare y Swanson, 1995; Jabaudon et al., 2000). 
La observación de que la inhibición de la actividad de los complejos de la cadena respiratoria puede 
inducir cambios patológicos en regiones del cerebro específicas muy similares a las observadas en 
ciertas enfermedades neurodegenerativas ha generado un gran interés. La asociación entre la 
excitotoxicidad glutamatérgica y la limitación bioenergética ha sido propuesta para las enfermedades 
de Alzheimer, de Parkinson, de Huntington, la ALS (Beal, 1998), y en muchos casos están 
involucrados complejos específicos de la cadena respiratoria. 
 
II. ANTECEDENTES 
Esclerosis Lateral Amiotrófica 
La esclerosis lateral amiotrófica (ALS), descrita en 1869 por el neurólogo francés Jean-Martin 
Charcot, es una enfermedad neurodegenerativa devastadora que se caracteriza por la muerte selectiva y 
progresiva de las motoneuronas superiores e inferiores, lo que va conduciendo a una parálisis 
progresiva, depresión respiratoria y muerte usualmente a los 2-5 años después del comienzo de los 
síntomas. Dependiendo de cuáles motoneuronas son afectadas principalmente, ya sea las 
motoneuronas inferiores, localizadas en las astas ventrales de la médula espinal, o las motoneuronas 
superiores, localizadas en el tallo cerebral y en la corteza motora cerebral, la ALS puede ser clasificada 
de 2 formas: de inicio espinal (∼75% de los casos), caracterizada por debilidad y atrofia muscular, 
calambres, fasciculaciones (contracciones, sacudidas y temblores involuntarios de grupos de fibras 
musculares), espasticidad o aumento anormal del tono muscular y parálisis, y de inicio bulbar (∼25% 
de los casos), que se caracteriza por disfagia (dificultad para tragar) y disartria (dificultad para hablar) 
progresivas, espasticidad e hiperreflexia (Mulder et al., 1986). También se da una pérdida anormal de 
la masa muscular y del peso corporal. Puesto que la pérdida neuronal en ALS es selectiva, la 
enfermedad no disminuye la capacidad mental de los enfermos. En la mayoría de los pacientes con 
ALS, la muerte se debe a paro respiratorio provocado por la denervación de los músculos respiratorios 
y del diafragma. La prevalencia de la ALS es de aproximadamente 2 a 6 casos por cada 100,000 
habitantes cada año y la edad media de inicio de los síntomas es de 55 años, aunque puede comenzar a 
edades menores (Chancellor y Warlow, 1992). 
La enfermedad se da en las formas familiar y esporádica, con síntomas y cursos clínicos muy similares 
y características patológicas comunes, como la presencia de acumulaciones anormales de 
neurofilamentos en las motoneuronas afectadas (Julien, 2001). La esclerosis lateral amiotrófica 
familiar (FALS) representa un 5-10 % de los casos y tiene un patrón de herencia autosómica 
dominante, mientras que la esclerosis lateral amiotrófica esporádica (SALS) tiene una mayor 
24 
 
frecuencia y constituye la mayoría de los casos de ALS (~90-95 %). Entre los casos de FALS, 
aproximadamente 20 % son causados por mutaciones en el gen SOD1 que codifica para la enzima 
Cu2+-Zn2+ superóxido dismutasa 1 (SOD1) (Rosen et al., 1993). Sin embargo, la causa de la mayoría 
de los casos de ALS es desconocida hasta la fecha y se han propuesto varias hipótesis como probables 
mecanismos que expliquen la muerte selectiva de las motoneuronas superiores e inferiores. Estas 
hipótesis incluyen daño oxidativo debido a la acumulación de ROS, deterioro del transporte y 
estrangulación axonal, desorganización de neurofilamentos, mal plegamiento de proteínas y toxicidad 
de agregados intracelulares, disfunción mitocondrial, inflamación, apoptosis y excitotoxicidad causada 
por una excesiva neurotransmisión glutamatérgica (Julien, 2001; Boillee et al., 2006; Bruijn et al., 
2004; Cleveland y Rothstein, 2001; Rowland y Shneider, 2001; Shaw, 2005). Debido a que el curso 
clínico de la enfermedad es muy variable, el mecanismo de muerte neuronal puede resultar de la 
lamentable coincidencia de muchos factores antes que de una sola alternativa. 
La patogénesis de la ALS ha sido estudiada en muestras de autopsia de pacientes con la enfermedad, 
pero ésto no ha proporcionado información fehaciente de los mecanismos patofisiológicos de la 
degeneración de las motoneuronas durante la etapa clínica progresiva, desde el comienzo de la 
enfermedad hasta la muerte de los pacientes. Las características patológicas distintivas que se han 
encontrado en la médula espinal de pacientes de ALS a los que se les ha practicado la autopsia, 
incluyen la atrofia de motoneuronas dañadas con hinchamiento notable del cuerpo neuronal y axones 
proximales, anormalidades intracitoplásmicas de los neurofilamentos, y la presencia de cuerpos de 
Bunina (que son inclusiones intracitoplasmáticas pequeñas y eosinofílicas, de material electrodenso 
amorfo, de origen lisosomal y que son inmunorreactivas para cistatina C y transferrina, generalmente 
se consideran una característica patológica específica de la ALS), inclusiones ubiquitinadas en los 
axones afectados y en los cuerpos celulares que se pueden dividir en cuerpos esféricoscompactos 
(inclusiones parecidas a los cuerpos de Lewy) o inclusiones con perfil filamentoso; esta patología de 
las motoneuronas es frecuentemente acompañada de gliosis reactiva (Strong et al., 2005). 
Basándose en los múltiples eventos que se considera contribuyen a la pérdida selectiva de las 
motoneuronas como blancos para la terapia, se han probado muchas drogas diferentes en su capacidad 
para aliviar o retardar los síntomas de los pacientes con ALS o para prolongar su sobrevivencia, pero 
desgraciadamente ninguno ha sido efectivo. El único compuesto utilizado actualmente que disminuye 
25 
 
ligeramente la progresión de la enfermedad y prolonga, también ligeramente, la sobrevivencia de los 
pacientes con ALS, sin mejorar la función motora, es el riluzol. Esta droga reduce la liberación de 
glutamato de las terminales nerviosas probablemente mediante la estabilización del estado inactivo de 
los canales de Na+ dependientes de voltaje y por una vía intracelular acoplada a proteínas G (Bensimon 
et al., 2002; Bensimon et al., 1994; Doble, 1996; Lacomblez et al., 2002; Lacomblez et al., 1996). 
 
Las mutaciones en la SOD1 son la causa de un tipo de FALS 
La Cu2+-Zn2+ superóxido dismutasa (SOD1) es una enzima citoplásmica expresada ubicuamente que 
cataliza la dismutación del radical O2•- a H2O2 + O2 y por lo tanto es una importante enzima 
antioxidante que protege a las células contra el estrés oxidativo. El átomo de cobre de la enzima es 
alternativamente reducido y oxidado por el superóxido, mientras que el átomo de zinc da estabilidad 
estructural a la proteína: ambos cationes están localizados al fondo de un canal del sitio activo 
(Liochev y Fridovich, 2000; Tainer et al., 1982). Las mutaciones de la SOD1 que causan la 
enfermedad están diseminadas a lo largo de la estructura primaria de la proteína. Se han encontrado 
más de 100 mutaciones (Andersen, 2000; Andersen et al., 2001; Gaudette et al., 2000), y todas excepto 
una, SOD1D90A (Andersen et al., 1996; Andersen et al., 1995), causan la enfermedad hereditaria 
dominante. Se han desarrollado ratones y ratas transgénicos que expresan la SOD1 humana mutada 
como modelos animales de la ALS, los que han sido ampliamente utilizados para tratar de entender los 
mecanismos de la muerte selectiva de las motoneuronas y para probar agentes terapéuticos; sin 
embargo, estos modelos tienen la enorme limitación de que sólo representan una pequeña proporción 
de los enfermos con FALS y aproximadamente sólo del 2–3 % del total de la ALS humana, además, 
muchos de los agentes terapéuticos que han funcionado al menos en parte en este modelo resultan ser 
inefectivos para el tratamiento de la ALS. Las mutaciones más comunes que han sido expresadas en 
los ratones transgénicos son la G93A, A4V, G37R y G85R (Gurney et al., 1994; Wong et al., 1995; 
Bruijn et al., 1997). La enfermedad en los ratones transgénicos comienza con debilidad en las 
extremidades posteriores, deterioro en la extensión de las patas y longitud de zancada acortada, y 
continúa hasta la parálisis completa de las extremidades, principlamente las traseras, en pocos días 
(Gurney et al., 1994). 
 
26 
 
Ha sido un reto tratar de entender la toxicidad de las mutantes de la SOD1. Se ha demostrado que la 
toxicidad mediada por la SOD1 en la ALS no se debe a la pérdida de su actividad catalítica, sino más 
bien a una ganancia de función que le confiere una ó más propiedades tóxicas que son independientes 
de los niveles de su actividad de dismutasa (Brown, 1995). Los principales argumentos contra la 
importancia de la pérdida de la función como dismutasa son que los ratones knockout para la SOD1 no 
desarrollan enfermedad de las motoneuronas (Reaume et al., 1996) y que los niveles de actividad de la 
SOD1 no correlacionan con la enfermedad ni en los ratones ni en los humanos. De hecho, algunas 
enzimas con mutaciones retienen su actividad de dismutasa completa (Borchelt et al., 1994; Bowling 
et al., 1995), y el incremento crónico en los niveles de SOD1 nativa (y por lo tanto de actividad de 
dismutasa) no tienen efecto en el curso de la enfermedad (Bruijn et al., 1998) o hasta la aceleran 
(Jaarsma et al., 2000). La propiedad tóxica adquirida probablemente perturba muchas funciones 
celulares básicas en las neuronas, incluyendo la ruptura de proteínas por el sistema ubiquitina-
proteosoma, el transporte axonal anterógrado lento, el transporte axonal retrógrado rápido, la 
homeóstasis de Ca2+, la función mitocondrial y el mantenimiento de la arquitectura del citoesqueleto 
(Bruijn et al., 2004). La toxicidad puede resultar de, ya sea una química aberrante, mediada por los 
agregados de proteínas mutantes desdobladas, que puede desregular el equilibrio redox (Harraz et al., 
2008) o producir pérdida o secuestro de componentes celulares esenciales, por ejemplo saturando las 
chaperonas que intervienen en el plegamiento de proteínas y/o la maquinaria de la degradación de 
proteínas (Bruijn et al., 2004; Cleveland y Rothstein, 2001; Harraz et al., 2008). Esto incluye estrés del 
retículo endoplásmico y acumulación de la SOD1 mutante en microsomas (Kikuchi et al., 2006; 
Nishitoh et al., 2008). El descubrimiento de inclusiones citoplásmicas prominentes en las 
motoneuronas y, en algunos casos, dentro de los astrocitos que las rodean en los modelos de los 
ratones de ALS mediados por la SOD1 mutada y en todos los casos reportados de ALS humana 
(Bruijn et al., 1998), dio lugar a la hipótesis de toxicidad por la agregación de proteínas. Estas 
inclusiones son generalmente elementos insolubles a detergentes, dispersados en el citosol, que han 
sido caracterizados por tinciones para ubiquitina y SOD1 (Basso et al., 2006; Wood et al., 2003). La 
toxicidad a las motoneuronas generada por las mutantes de SOD1 parece ser no autónoma de un solo 
tipo celular, ya que el daño por las mutantes ocurre no solamente en las neuronas, sino también en las 
células no-neuronales, sugiriendo que la muerte neuronal depende, al menos en parte, de una 
27 
 
contribución de los astrocitos de alrededor y posiblemente otros tipos celulares (Cassina et al., 2008; 
Clement et al., 2003; Yamanaka et al., 2008). 
 
Hipótesis de la excitotoxicidad mediada por glutamato como causa de la ALS 
Se encontró que la alta incidencia de ALS-PDC (amyotrophic lateral sclerosis/parkinsonism-dementia 
complex) en la Isla de Guam, localizada en el Pacífico occidental, se debía a la ingestión en la dieta de 
la semilla Cycas circinalis. Algunos contaminantes raros de alimentos son análogos del glutamato y 
causan excesiva activación de sus receptores, produciendo muerte neuronal. Esta semilla contiene el 
aminoácido β-N-metilamino-L-alanina (BMAA), el cual en presencia de bicarbonato, se vuelve 
excitotóxico mediante un mecanismo que involucra la activación de los receptores AMPA y NMDA. 
La acción del BMAA puede ser bloqueada por el antagonista de los receptores tipo NMDA D-AP5 y 
por el antagonista de los receptores tipo AMPA/kainato NBQX (Spencer et al., 1987; Rao et al., 2006; 
Ince y Codd, 2005). 
De entre las diferentes hipótesis postuladas, la excitotoxicidad mediada por glutamato es considerada 
como un mecanismo probable que conduce a la degeneración de motoneuronas tanto en la SALS como 
en la FALS. Como ya se mencionó, el glutamato puede producir excitotoxicidad por medio de la 
sobreactivación de los receptores tipo NMDA, AMPA y kainato. Las motoneuronas espinales son 
particularmente vulnerables a AMPA o kainato, agonistas de los receptores tipo AMPA, 
probablemente por el flujo de Ca2+ a través de este tipo de receptores permeables a Ca2+ que carecen de 
la subunidad GluR2 o cuya subunidad no ha sido editada posttranscripcionalemente en el sitio Q/R, 
tanto in vitro (Carriedo et al. 1995; Carriedo et al., 1996; Greig et al., 2000; Hugon et al. 1989; 
Rothstein y Kuncl 1995; Shaw 1999; Van Damme et al., 2002; Van Den Bosch et